金属离子影响膜生物反应器中膜污染进程的微生物生态学机制研究

Membrane fouling has been the main obstacle to the wide application of membrane bioreactor (MBR). Previous studies have indicated that there were different impacts of different metal ions on the membrane fouling. However, these studies focused on the characteristics of physicochemical properties associated with membrane fouling, such as extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial products (SMP). There are a lot of controversies for their results. In this research, from the point of view of microbial ecology, the impact of metal ions (including Na+, Ca2＋, Mg2＋, Fe3＋, Al3+) on membrane fouling will be systemically studied to explore their mechanisms. We will apply next-generation DNA sequencing technologies (including Pyrosequencing sequencing and Illumina sequencing) to characterize the development of microbial communities and gene functions associated with membrane fouling under different metal ions loading. Combined with the results of physicochemical properties associated with membrane fouling, such as the concentrations and components of EPS and SMP, properties of membrane cake layer and effluent quality, we will analyze the processes that metal ions change the microbial community and related microbial metabolites (EPS and SMP), and explore the impact mechanisms of metal ions on the membrane fouling. The results of this research will be helpful for treatment of high saline wastewater and addition strategies of inorganic flocculants during MBR process.

膜污染是膜生物反应器（MBR）推广应用的瓶颈。研究显示，不同价态和浓度的金属离子对膜污染存在不同的影响，现有研究基本上是通过监测与膜污染相关的微生物胞外聚合物（EPS）、溶解性微生物产物（SMP）等理化性质来分析金属离子对膜污染的影响过程及其机制，研究结果存在诸多争议。本项目拟从微生物生态学角度出发，将基于新一代高通量测序的环境微生物分析技术（Pyrosequencing测序技术和Illumina测序技术）与EPS和SMP组成及含量、膜表面形态、出水水质等传统分析技术相结合，研究不同价态和浓度的金属离子（Na+、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、Al3+）单一和共存时对MBR中微生物群落结构和基因功能组成的影响，阐述金属离子通过影响微生物群落结构和生理特征来改变微生物代谢产物含量及膜污染进程的微生物生态学机制，为高盐工业废水MBR处理工艺调控及MBR工艺中无机絮凝剂的添加策略提供科学依据。

随着膜生物反应器（MBR）在市政污水和工业废水等领域的应用，盐度金属（Na），硬度金属（Ca、Mg）和水解金属（Fe、Al）不可避免地对MBR的运行效率和膜污染产生影响。本研究从微生物生态的角度，采用高通测序技术系统解析了不同金属离子冲击下微生物种群结构的变化规律，从微生物-微生物胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）-膜污染的过程分析了不同金属离子影响膜污染的机制及其可能的微生物生态学过程。获得的主要结论如下：.（1）高Na盐冲击初期降低了COD和氨氮的去除率，增加了EPS和SMP的浓度水平；高Na盐冲击恶化了膜污染，且膜污染速率随盐浓度的升高而增加；高Na盐冲击改变了微生物的群落结构，Flavobacterium，Aequorivita，Gelidibacter等高耐盐菌属的比例随盐度增加而增加。高耐盐菌属会代谢产生糖类来调节渗透压以克服盐冲击，导致ESP-Ps和SMP-Ps，特别是其中多糖浓度的增加，恶化膜污染。.（2）Fe(III), Al(III), Ca(II)和Mg(II)的单独冲击显著降低了COD和氨氮的去除率，降低了EPS和SMP的浓度水平；Fe(III), Al(III), Ca(II)和Mg(II)降低了膜污染速率。Fe(III), Al(III), Ca(II)和Mg(II)虽然改变了微生物群落结构，但微生物群落结构变化与膜污染速率并不存在显著相关性，四类金属离子主要是通过架桥作用增加活性污泥絮凝性、减缓滤饼形成速率来降低膜污染物速率。.（3）Fe(III)、Al(III)、Mg(II)单独和Fe(III)+Mg(II)联合投加显著降低了高Na盐对COD和氨氮去除率的冲击，降低了EPS和SMP浓度水平，降低了高盐度导致的高膜污染速率；高价金属离子的投加改变了高Na盐影响微生物群落结构及EPS、SMP浓度进而改变膜污染速率的过程，降低了微生物群落对膜污染的影响，高价金属离子的架桥和絮凝作用可能是降低膜污染速率的关键。.综上所述，除Na外，其它金属离子单独或联合冲击下并未发现微生物群落结构变化与膜污染显著相关性，表明这些金属离子是通过直接改变MBR混合液可滤性而不是从改变微生物群落开始来影响膜污染。本项目研究结果为金属离子冲击下MBR膜污染的调控提供了基础数据，也为高盐工业废水MBR处理工艺调控及无机絮凝剂添加策略提供科学依据。